二塘沟流域地下水化学组分来源及空间分布特征

吴 豪， 吴 彬， 杜明亮, 钟瑞森

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011)

1 研究背景

要研究合理利用地下水资源以及区域水循环机理等问题，要对区域的水化学特征进行深入探索。Singh等[1]通过对印度北部加济阿巴德地区地下水化学特征进行分析，发现人类活动区域的地下水化学成分受季节变化的影响较大；张清寰等[2]和党慧慧等[3]对甘肃梨园河流域水化学特征进行分析，结合环境同位素揭示地下水补给来源；章斌等[4]通过分析地表水和地下水中氯离子浓度和δD、δ18O值的空间分布特征，揭示了秦皇岛洋戴河平原地下水的形成演化规律；曹星星[5]以草海流域为例分析了该流域内水化学特征变化规律，并根据不同季节分析了该湿地水文地球化学过程中的主要控制因素；杨炳超等[6]运用Piper图解法和离子比值法对诺木洪河流域地下水化学演化特征进行了分析；杨敏等[7]运用离子比值法和饱和指数法对柳林泉域的水化学特征及演化规律进行研究，并利用PHREEQC反向模拟揭示了岩溶含水层中的水岩相互作用。吕婕梅等[8]对贵州清水江流域丰水期水化学特征及离子来源进行分析，探讨了上游工矿企业活动对流域水化学的影响；杨丽芝等[9]分析了济南泉水水化学特征,探讨了引起泉水水化学变异的原因。

许多学者在吐鲁番盆地也做了一些研究，周文等[10]通过化学简分析对鄯善县地下水化学分布基本特征及地下水化学组分变化特征进行了分析。刘宗鑫等[11]通过分析鄯善县地表与地下水体的δD、δ18O和d值的分布规律，得到地下水与地表水之间的水力联系以及不同深度地下水之间的水力联系。王欣[12]运用单因子指标分析和水化学分析对吐鲁番盆地水质变化和潜在影响做了相关分析研究。陈鲁[13]通过环境同位素及水文地球化学研究并分析了吐鲁番盆地的水化学特征；蔡月梅等[14]利用无机离子示踪的方法，分析了吐鲁番盆地地下水和地表水成分的变化规律。

本文在前人研究基础上对二塘沟流域的地下水化学离子来源与空间分布规律做了深入研究，掌握地下水系统的水化学演化过程，明确地表水与地下水的转化规律，有助于水资源的可持续利用及对地下水资源的有效管理，防止人为活动影响地下水水质。因此，有必要更深一步进行地下水化学演化方面的研究工作[15]。

2 研究区概况

研究区位于吐鲁番盆地鄯善县境内，横跨南北两盆地，东西最宽约60 km，南北长约250 km，总面积0.95×104km2。东接鄯善县柯柯亚河流域，西连吐鲁番市。

二塘沟河源头位于博格达山南坡，山区地势北高南低，以山前为界，北为博格达山，南为吐鲁番盆地，由北向南，地貌上可分为典型的侵蚀、剥蚀山区与山前冲洪积砾质倾斜平原两大地貌单元。侵蚀、剥蚀山区主要指博格达山主峰以南至吐鲁番盆地北缘的高、中山区。山前冲洪积砾质倾斜平原 博格达山南坡各河流出山口后，由于河水搬运能力陡然减弱，变成以堆积作用为主，在沟口形成冲洪积扇，随着冲洪积扇逐渐增大并相互连接，在山前形成巨大的冲洪积砾质倾斜平原。

研究区水文地质条件十分复杂，地下水经多次转化利用，地下水开采形式多样，有泉水、坎儿井、机电井。总体来看，地下水经过3次大的转化，即地下水在天山山前一带以泉水、坎儿井水及机电井等形式开采利用后，入渗补给地下；在火焰山北山前一带经泉水、坎儿井利用后补给地下；在火焰山南山前一带以通过泉水、坎儿井利用后入渗地下；在研究区下游以机电井形式开采利用后入渗；最终汇入艾丁湖。

3 采样与测试

2015年在研究区内抽取地下水化学简分析样品20组，其中5个地表水样、12个地下水样和3个坎儿井水样。具体取样位置如图1所示。在本研究中根据取样深度及坎儿井源头，确定坎儿井为浅表层地下水[16]。根据经验及相关资料分析，取样机井水为浅层地下水。

图1 二塘沟流域采样点分布图

4 地下水化学特征及空间分布特征

4.1 地下水水化学特征

根据地下水取样类型以及空间分布(见图1)，将地下水化学资料进行统计分析，计算出研究区地下水主要组份含量特征值，统计结果见表1、2。

表1 火焰山南北盆地地下水化学参数统计特征值 mg/L

表2 不同水样类型化学参数统计特征值 mg/L

从表1、2可以看出，地表水及地下水pH值均大于7，均为碱性水且从山北和山南的变异系数来看，火焰山北部Cl-，南部K+、Na+、Cl-、SO42-，变异系数均属于强变异性，说明这几种离子空间差异非常大。且南盆地的TDS变异系数也较大，接近100%，说明南盆地可能受人为活动及蒸发浓缩等的影响更大。

从不同水样类型来看，地表水的Cl-变异系数较大，而其他离子变异性较弱；浅层地下水与地表水相比，各离子浓度均较大且变异性强，可能是由于地表水更新快，且主要由冰雪融水及大气降水补给；而浅层地下水更新相对较慢，且受人为因素及水文地质条件的影响，由于蒸发浓缩、岩石风化溶解等作用、导致水中主要离子空间变异性较大，质量浓度也比地表水高。而浅表层地下水各离子浓度相对更高，但从原始资料分析，浅表层地下水样空间差异大，水样数量少是导致变异系数大的一个原因。

图2 二塘沟流域地下水Piper图

4.2 水化学组分来源

地下水的水化学成分取决于区域水文地质条件和人为因素等多种因素的综合作用[18-19]。早期Gibbs[20]运用半对数散点图，分析了地下水中的离子特征及成因。本文利用Gibbs图对研究区水样进行分析。将样品化验分析的数据绘制成图(图3)，由图3可以看出：(1)所有水样点都远离“降水控制区域”，符合吐鲁番盆地降雨稀少、蒸发量大的气候条件；(2)浅层及浅表层地下水以岩石风化作用为主，部分向蒸发浓缩型偏移，经查证偏蒸发浓缩作用的离子均为南盆地水样，说明北盆地地下水中各离子主要受岩石风化影响，南盆地地下水水化学组分同时受岩石风化及蒸发浓缩作用影响；(3)地表水TDS值大小适中、Na+与Na++Ca2+比值基本小于0.5的区域，这部分地表水离子组分主要来自于岩石风化作用。

图3 水化学组成吉布斯图

从Na+与Cl-关系图(图4(b))中可以看出，Na+/Cl-值基本位于1∶1线(岩盐溶解线)附近，造成这种现象的原因包括3个方面：含Na+矿物的风化溶解、Na+与Ca2+的交替吸附以及蒸发浓缩作用。地表水和地下水的Na+、Cl-的形成略有不同。从出山口到冲积扇平原区，地下水中Na+和Cl-不断增加，地表水中的Na+和Cl-主要以溶解作用为主，平原区地下水中的Na+和Cl-除了溶解作用，Na+从交替吸附作用中释放还有蒸发浓缩作用。图3和4(a)可进一步验证。

从Ca2+和SO42-关系图(图4(c))中可以看出，Ca2+/SO42-值在1∶1线(石膏溶解线)附近，说明Ca2+和SO42-的来源基本相同，均来源于石膏或者硬石膏。Ca2+/SO42-值在1∶1线之下有两种原因：一是含SO42-矿物的风化溶解，二是Na+与Ca2+离子的交替吸附，吸附Ca2+释放Na+。Ca2+/SO42-值在1∶1线之上的原因主要是碳酸盐矿物的风化溶解。从图4(c)中可以看出地表水和地下水中的Ca2+、SO42-形成原因主要是碳酸盐矿物的风化溶解，从图3和图4(d)中可以进一步验证。

4.3 水化学组分空间分布特征

4.3.1 空间分布特征分析 沿地下水径流方向作地下水化学组分的变化见图5。由图5可看出，以火焰山为分界线，上游出山口至冲洪积扇扇缘TDS变化不大，但在扇源处的点J17的TDS值突然增大，而地表水DB05却是相对稳定状态。下游灌区地下水和渠水TDS相当，在灌区周边稍有上升，但在达浪坎乡和老迪坎乡TDS升高明显。

图4 研究区地下水主要离子关系曲线图

图5 各离子浓度沿径流方向变化图

从图5可以看出J17的TDS有明显升高，经过对该点地形和补给条件分析，发现该点位于两补给源交接地带，连木沁灌区开采地下水致使地下水位下降，而J17附近不能及时得到补给，另一方面二塘沟水渠防渗率的提高,地表水渗漏补给减少，因此推测该点有盐渍化趋势。再参考周围取样点，地表水及坎儿井水均无明显变化，证明推测具有可靠性。

4.3.2 饱和指数法指示作用分析 通过前面对离子组分来源的分析后，最终选定CaSO4、CaCO3、CO2、CaMg(CO3)2和NaCl，用饱和指数定量地分析地下水离子来源的实际形式。用SI来表达矿物饱和指数，公式为：

式中：LAP为矿物溶解反应中相关离子活度积;K为设定条件下的平衡常数。

此次计算选择沿径流方向选择5个点即4条路径进行模拟，模拟结果如表3。

表3 “可能矿物相”饱和指数模拟计算结果

5 结 论

(2)北盆地浅层地下水由地表水补给，径流至火焰山后由于火焰山地质构造条件限制，浅层地下水补给浅表层水并流向南盆地，在南盆地平原绿洲区灌溉及人为因素影响下，中部水位低，四周地下水向中部补给，最后随径流方向流向艾丁湖。

(3)地表水中各离子主要以碳酸盐矿物的风化溶解作用为主，平原区地下水中的主要离子Na+和Cl-除了溶解作用、Na+从交替吸附作用中释放还有蒸发浓缩作用；地表水和地下水中的Ca2+、SO42-形成原因主要是碳酸盐矿物的风化溶解。

(4)地下水各离子质量浓度和TDS值由于空间分布地形影响具有空间变异性，北盆地地表水水质较好，而地下水有变差趋势，即在火焰山前有明显上升，南盆地地下水在山前及灌区四周水质较差。研究发现，火焰山以南大量开采地下水，农业灌溉以大水漫灌为主，灌区中部地下水位急剧下降，因而引起四周向中部补给的现象，导致灌区中部水质较好，四周水质较差。